光学系统外形尺寸计算.ppt

第四章光学系统的外形尺寸计算,-2-,光学系统的外形尺寸计算,根据使用要求确定光学系统整体结构尺寸的设计过程称为光学系统的外形尺寸计算。,外形尺寸计算,系统的组成,各光组的焦距,各光组的相对位置和横向尺寸,外形尺寸计算的基本要求,系统的孔径、视场、分辨率、出瞳的直径和位置；,几何尺寸，即光学系统的轴向和径向尺寸，整体结构的布局；,成像质量、视场和孔径的权重。,-3-,4.2典型光学系统外形尺寸计算,一、开普勒望远镜外形尺寸计算,开普勒望远镜成像原理,-4-,4.2典型光学系统外形尺寸计算,一、开普勒望远镜外形尺寸计算,1.物镜和目镜焦距的计算,已知条件：视觉放大率、视场角2、出瞳直径D，筒长L和目镜焦距、出瞳距三个条件中任选一个。,1）已知筒长L,2）给定目镜焦距,3）给定出瞳距,实际工作中直接从光学设计手册中选择目镜,-5-,4.2典型光学系统外形尺寸计算,一、开普勒望远镜外形尺寸计算,2.确定入瞳直径D和选择物镜结构,计算出相对孔径：,根据,和2选择物镜的结构。,-6-,4.2典型光学系统外形尺寸计算,一、开普勒望远镜外形尺寸计算,3.确定物镜、视场光阑和目镜的通光孔径,1）物镜通光孔径,2）视场光阑通光孔径,3）目镜通光孔径,场镜通光孔径,接目镜孔径的确定,目镜调节,-7-,4.2典型光学系统外形尺寸计算,二、伽利略望远镜外形尺寸计算,伽利略望远镜成像原理,伽利略望远镜常用在大地测量和航空测量仪器中。结构简单、筒长短、正像和光能损失少。,-8-,4.2典型光学系统外形尺寸计算,二、伽利略望远镜外形尺寸计算,1.物镜和目镜焦距的计算,为了得到尽可能短的筒长和良好的成像质量，应按物镜能承担的最大相对孔径来选择物镜的焦距，相对孔径一般不超过1:41:3，一般选择单负透镜作为目镜。,2.确定入瞳直径D,3.确定入瞳距lz,伽利略望远镜的入瞳总是在系统的右边。,-9-,4.2典型光学系统外形尺寸计算,二、伽利略望远镜外形尺寸计算,4.视场角的计算,无渐晕,50%渐晕,100%渐晕最大视场角,5.视场角的计算,-10-,实验：设计设计一款望远镜,放大倍率：8倍出瞳距：12mm出瞳直径：12mm视场角：4,已知：,要求：满足望远镜像差公差要求,提示：计算出望远镜的外形尺寸，在zemax的LEN中查找合适的物镜和目镜进行拼接，再优化。,-11-,4.2典型光学系统外形尺寸计算,三、具有透镜转像系统的望远镜系统外形尺寸计算,要求正像和较长的筒长时，一般要用透镜转向系统，在实际中应用最多的是=-1，中间为平行光的两组双胶合透镜系统。优点：像质好，装调容易。,物镜焦距：f1,转像透镜焦距：f3，f4,目镜焦距：f5,筒长：L,-12-,4.2典型光学系统外形尺寸计算,三、具有透镜转像系统的望远镜系统外形尺寸计算,已知条件：视觉放大率、视场角2、出瞳直径D、筒长L、出瞳距lz、渐晕系数K。,（1）计算目镜的焦距，选择目镜结构;,（2）计算物镜的焦距，选择物镜结构;,（3）计算视场光阑孔径D2;,（4）计算转向系统的焦距f3，f4;,（5）计算转向透镜间距d。,-13-,1.计算场镜的焦距,2.计算各光祖的通光孔径,1、2、3分别为物镜、场镜和转像透镜的光焦度；d为转像透镜之间的间隔。,（1）,（2）,场镜的通光孔径D2=视场光阑孔径,（3）,转像透镜的通光孔径D3，D4视场光阑孔径,（4）,目镜的通光孔径,物镜的通光孔径,-14-,接目镜的通光孔径,目镜的通光孔径,把物镜和第一组转像透镜看成是一个望远系统,主光线高度,四、具有棱镜转像系统的望远镜系统外形尺寸计算,4.2典型光学系统外形尺寸计算,要求正像和较短的筒长时，一般要用棱镜转向系统，在计算外形尺寸时，应将棱镜展开成玻璃平行平板，再变换成等效空气板，根据通光孔径计算棱镜尺寸。,-16-,4.2典型光学系统外形尺寸计算,四、具有棱镜转像系统的望远镜系统外形尺寸计算,1.计算物镜和目镜的焦距,2.确认入瞳直径和物镜通光孔径,物镜框作为孔径光阑,3.选择物镜和目镜结构,根据物镜的、和2来选择物镜结构。,根据,计算出目镜视场角。,再根据和2来选择目镜结构。,已知条件：视觉放大率、视场角2、出瞳直径D、筒长L。,-17-,4.2典型光学系统外形尺寸计算,四、具有棱镜转像系统的望远镜系统外形尺寸计算,4.计算视场光阑直径,5.反射棱镜外形尺寸计算,直角棱镜,屋脊棱镜,在不改变光轴方向和主截面内成像方向的条件下，增加一次反射，使系统总的反射次数由奇数变成偶数，从而达到物像相似的要求。,-18-,5.反射棱镜外形尺寸计算,棱镜常数,-19-,4.2典型光学系统外形尺寸计算,5.反射棱镜外形尺寸计算,四、具有棱镜转像系统的望远镜系统外形尺寸计算,为减小棱镜尺寸、获得较大的允许制造误差，棱镜应尽量靠近物镜的像平面。,根据,计算出棱镜的输入面和输出面的通光孔径，取其中最大值作为棱镜的通光孔径D，带入公式求出棱镜尺寸。,6.计算出瞳距,7.计算目镜通光孔径,-20-,4.2典型光学系统外形尺寸计算,五、内调焦望远镜的外形尺寸计算,物镜内部有一个负的调焦镜组构成的复合物镜。利用复镜组对远近不同的物体进行调焦能使像始终位于一个固定位置，该负镜组称为调焦镜。,与外调焦望远镜相比，具有筒长短，密封性好的优点。广泛应用于大地测量仪器中。,-21-,4.2典型光学系统外形尺寸计算,五、内调焦望远镜的外形尺寸计算,负镜组使筒长显著减小，缩小比：,m=0.60.8,已知条件：物镜焦距、相对孔径、视场角2、仪器轴位移、缩小比m或筒长L、最近调焦距离lmin,测距方程：,准距条件：,此时,前组到转轴的距离,-22-,1.前组和调焦组的焦距与间隔的计算,2.各镜组的通光孔径的计算,五、内调焦望远镜的外形尺寸计算,(1)前组的通光孔径D1,(2)调焦组的通光孔径D2,h上1为上光线在前组上的高度,h上2为上光线在调焦组上的高度,3.近距离的间隔ds的计算,-23-,4.2典型光学系统外形尺寸计算,六、生物显微镜的的外形尺寸计算,用来观察生物切片、生物细胞、细菌以及活体组织培养、流质沉淀等的观察和研究，同时可以观察其他透明或者半透明物体以及粉末、细小颗粒等物体。,按分辨率要求确定数值孔径，按数值孔径确定系统的有效放大率。,-24-,4.2典型光学系统外形尺寸计算,2.分配物镜和目镜的放大率,六、生物显微镜的的外形尺寸计算,3.计算物镜和目镜的焦距,4.计算显微镜的总焦距,1.计算物镜的数值孔径NA,已知条件：分辨率、共轭距L、有效放大率。,垂轴放大率,5.计算目镜的线视场,6.计算物镜线视场,-25-,4.2典型光学系统外形尺寸计算,六、生物显微镜的的外形尺寸计算,7.计算出瞳距,8.计算显微镜的景深,9.计算物镜通光孔径,物镜框为孔径光阑,孔径光阑在物镜后焦面上,10.计算目镜通光孔径,目镜场镜的通光孔径D2,接目镜的通光孔径D3,-26-,4.2典型光学系统外形尺寸计算,七、读数显微镜的的外形尺寸计算,数值孔径小，放大倍数低、放大倍数要求准确，物镜应选用远心光路,已知条件：读数精度，共轭距L,-27-,4.2典型光学系统外形尺寸计算,七、读数显微镜的的外形尺寸计算,1.计算物镜的放大倍率和焦距,t:螺杆的螺距，i:刻度值，n:鼓轮的刻度数,2.计算目镜的放大倍率和焦距,3.计算物镜的数值孔径NA,4.计算分划板的直径,分划板的直径由目镜物方线视场决定，一般为1820mm,5.计算物镜线视场,-28-,4.2典型光学系统外形尺寸计算,七、读数显微镜的的外形尺寸计算,6.计算出瞳距,7.计算出瞳直径,9.计算孔径光阑的通光孔径,8.计算物镜通光孔径,10.计算目镜的通光孔径,目镜场镜的通光孔径D3,接目镜的通光孔径D4,-29-,4.2典型光学系统外形尺寸计算,八、投影系统的的外形尺寸计算,投影系统的外形尺寸计算，主要是计算投影物镜和照明系统的光学特性和外形尺寸。使屏幕得到足够的像面照度，还必须选择好光源，计算系统的光能量。,已知条件：胶片尺寸bh、屏幕尺寸bh（或放大率）、物镜到投影屏的距离l、像面照度E，有时给出光源类型。,1.确定投影物镜的光学特性,（1）物镜放大倍率,（2）投影物镜焦距f,（3）物镜前焦点到胶片的距离,